Como funciona: Pilha de Hidrogênio

O que é?

As células de combustíveis, popularmente conhecidas como pilhas de hidrogênio, possuem gases como combustíveis. Elas têm três compartimentos: em um está o primeiro gás, de hidrogênio (H2), por exemplo; no segundo compartimento fica o outro gás que irá reagir, que, como exemplo, pode ser o gás oxigênio (O2); e eles ficam separados por um terceiro compartimento, que consiste em um ambiente apropriado no qual os dois gases irão se difundir passando pelos eletrodos e, por fim, reagirão. Assim, essas células convertem a energia liberada em reações de combustão em eletricidade.

Existem vários tipos de pilhas de combustíveis, algumas funcionam a baixas temperaturas, já outras têm que ser a altas temperaturas. A do exemplo citado é tida como do tipo AFC, atuando em uma faixa de temperatura de 60°C a 90°C. Normalmente, esse tipo de pilha apresenta dimensão típica de 7 kW.

Essas pilhas são normalmente usadas em foguetes, naves espaciais ou submarinos, pois, conforme pode ser visto na reação global acima, a enorme vantagem desse tipo de pilha, que é considerada a pilha do futuro, é que ela produz água na forma de vapor que pode ser purificada e consumida. Outro grande benefício é que elas não poluem o meio ambiente.

Também estão sendo usadas em indústrias como fontes de energia e como geradores de emergência em edifícios e em carros movidos a hidrogênio. Esse interesse é crescente, pois além da busca por energias alternativas ao petróleo, há um aumento da consciência de proteção ambiental.

Esse tipo de pilha nunca se gasta, ou seja, os reagentes são continuamente injetados no aparelho durante o processo de oxirredução.

Um inconveniente é que seu custo é elevado.

A alta eficiência das células a combustível é uma vantagem marcante em relação a outras formas de transformar energia química em energia elétrica. Sua operação produz baixo impacto ambiental: sem vibrações, sem ruídos, sem combustão, sem emissão de particulados e, dependendo da tecnologia, sem emissão de gases estufa. Além disto, no atual estágio de desenvolvimento, sem emissão de gases ácidos e com baixa poluição.

A célula a combustível como sistema de conversão de energia foi inventada por sir William Grove no século XIX. Na época, as fontes primárias de energia eram abundantes, irrestritas e baratas. Esse fato não motivou o desenvolvimento das células a combustível.

Esse tipo de energia tem como princípio básico transformar energia química em energia elétrica. No entanto, as células a combustível não apresentam as perdas da conversão de energia dos combustíveis fósseis.

Como funciona?

A priori, é importante ressaltar que o uso das pilhas combustíveis tem rendimento eléctrico maior em relação aos motores de combustão interna. Entretanto, o rendimento de uma pilha de combustível varia de forma inversa à potência devido a perdas por efeito de Ohm e de polarização.

Ademais, as células de combustíveis possuem gases como combustíveis. Elas têm três compartimentos: em um está o primeiro gás, de hidrogênio (H2), por exemplo; no segundo compartimento fica o outro gás que irá reagir, que, como exemplo, pode ser o gás oxigênio (O2); e eles ficam separados por um terceiro compartimento, que consiste em um ambiente apropriado no qual os dois gases irão se difundir passando pelos eletrodos e, por fim, reagirão. Assim, essas células convertem energia liberada em relações de combustão em eletricidade.

Modelos:

Os 5 tipos diferentes de pilhas de combustível

PEFC / PEM – Polymer Electrolyte Fuel Cell / Proton Exchange Membrane

  • Temperatura: <100º;
  • Combustível: H2;
  • Eletrodos: Platina;
  • Aplicações: Aparelhos portáteis e transporte.

É um sistema de baixa temperatura (<100ºC). O eletrólito é uma membrana polimérica condutora de protões. Os materiais de eletrodo são filmes delgados de metais nobres dispersos em suportes de carbono. Os materiais de construção adicionais são poliméricos. O custo médio destas unidades é de 1.000.000 escudos por kW, para usos civis. Usam-se também em missões espaciais e militares (submarinos). A eficiência na produção de energia elétrica é de 55%.

AFC – Alkaline Fuel Cell

  • Temperatura: <90º (Elevadas concentrações para altas temperaturas);
  • Combustível: H2;
  • Eletrodos: porosos, platina (Reações Lentas);
  • Eletrólito: KOH, NaOH;
  • Aplicações: Aparelhos portáteis e transporte.

É um sistema de baixa temperatura (<90ºC). O eletrólito é uma solução concentrada de hidróxido de potássio (30% KOH). Os catalisadores não são de platina, tais como o níquel de Raney e a prata em suportes de carbono (PTFE-C). O custo médio destas unidades é de 500.000 escudos por kW. Usam-se em missões espaciais e militares. A sua eficiência na produção de energia elétrica pode ir até cerca de 55%, portanto maior que aquela que é possível por combustão clássica (~35%).

PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell

  • Temperatura: de 160º – 220º (A baixas temperaturas o H3PO4é mau condutor);
  • Combustível: H2;
  • Eletrodos: platina (Contaminação com CO);
  • Eletrólito: H3PO4;
  • Aplicações: estacionárias.

Opera até temperaturas de 220ºC. O eletrólito é ácido fosfórico concentrado absorvido numa matriz sólida. Os eletrodos são de grafite carregados com partículas de platina ou de metais pouco nobres. Os materiais de construção adicionais são poliméricos. O custo destas pilhas é de 600.000 escudos por kW. Usa-se no fornecimento de energia (potências <200 kW), em zonas residenciais e na distribuição de energia para locais remotos (<11 MW). A eficiência da célula com o regenerador na produção de energia elétrica é de 40%.

MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell

  • Temperatura: 600º – 700º (Para a fusão dos carbonatos);
  • Combustível: H2;
  • Catalisadores: Ni no ânodo e NiO no cátodo;
  • Eletrólito: Carbonatos de (Na, K, Li) estabilizados com LiAlO2;
  • Aplicações: estacionárias.

É um sistema de alta temperatura (<700ºC). O eletrólito é uma mistura fundida de K2CO3 (28%), Li2CO3 (32%) e LiAlO2 (40%) contido num cadinho cerâmico. Os eletrodos são de níquel (ânodo) e óxido de níquel dopado com lítio (cátodo).

Os materiais adicionais para a construção, são o aço macio e os materiais cerâmicos Usam-se nas centrais elétricas. A eficiência da pilha na produção de energia elétrica é de 65%, valor que cai para menos de 55% se tivermos em linha de conta com o regenerador.

SOFC – Solid Oxid Fuel Cell

  • Temperatura: 600º – 1000º (velocidades de reacção elevadas sem catalisadores);
  • Combustível: H2;
  • Eletrodos: ânodo é Co-ZrO2 ou Ni-ZrO2 e o cátodo é Sr-LaMnO3;
  • Eletrólito: Y2O3 estabilizado em ZrO2 sólido não poroso;
  • Aplicações: estacionárias (Custos de fabrico elevados).

É um sistema de alta temperatura (<1000ºC). O eletrólito é, essencialmente, um condutor cerâmico oxianiónico (ZrO2. 15%Y2O3). Os eletrodos são de Ni (ânodo) e LaMnO3 dopado com Sr (cátodo). Os materiais de construção adicionais são o aço macio e cerâmicos. Estas pilhas estão numa fase experimental, visando ser usadas como sistemas estacionários da terceira geração.

Apresentamos no quadro 1, um resumo dos 5 tipos de pilhas de combustível apresentadas.temas estacionários da terceira geração.

História:

A primeira célula de combustível foi desenvolvida no século XIX em 1839 por Sir William Grove. Um esboço foi publicado em 1843. Células de combustível não tiveram aplicação prática até 1960, quando então passaram a ser usadas no programa espacial americano para produzir eletricidade e água potável (hidrogênio e oxigênio fornecidos de tanques da aeronave), processo extremamente caro porque as células exigem hidrogênio e oxigênio puríssimos.

As células rapidamente adquiriam altas temperaturas ao entrar em funcionamento, o que era um problema em muitas atividades. Mais adiante avanços tecnológicos em 1980 e 1990 com o uso do Nafion como eletrólito e a redução na quantidade do caríssimo catalisador de platina tornou-se possível o uso das células por parte de consumidores do automobilismo por exemplo. Na atual fase de pesquisas a Casio pretende lançar uma célula de combustível DMFC para notebooks a ser alimentada com o álcool metanol, em substituição às baterias de lítio de uso de três horas para 20 horas com o álcool que após esgotado seria trocado o cartucho vazio por outro cheio. Por outro lado a MTI Micro pretende lançar um carregador de baterias movido a célula de combustível.

Curiosidades:

A pilha de combustível é uma tecnologia que começa a aparecer cada vez mais, que comparativamente com outras tecnologias tradicionais de produção proporciona alta eficiência (mesmo para potências baixas) e reduzidas emissões acústicas.

Esta é uma tecnologia revolucionária por apresentar elevados índices de qualidade de energia, bem como permitir um funcionamento contínuo sem interrupção durante um número de horas bastante superior ao das tecnologias tradicionais. Estas características permitem que sejam utilizadas em equipamentos sensíveis a variações de corrente e tensão nomeadamente: hospitais, centros de tratamentos de dados, bancos, esquadras de polícia e qualquer outro tipo de instalações com missões importantes, servindo por vezes de geradores de emergência garantindo assim alimentação para as cargas básicas.

Para locais remotos sem acesso para a rede de elétrica as pilhas de combustível constituem boas alternativas para a produção de energia. As Instalações poderão fazer o uso efectivo de calor, usando aquela energia que se liberta aumentando a eficiência do sistema. Assim alguns dos tipos de pilhas de combustível podem fornecer a oportunidade para fazer a transição dos combustíveis fósseis, como gás natural, metano, e hidrocarboneto líquidos, para o que muitos consideram ser o combustível do futuro, o hidrogênio.

No entanto os custos elevados das pilhas de combustível não estão ao alcance de todos, constituindo assim a principal barreira para a implementação desta alternativa. Outro aspecto negativo apontado é a falta de experiência em termos de durabilidade ao longo do tempo da maior parte destas tecnologias de pilhas de células de combustível e a necessidade de se estabelecer uma infra-estrutura para apoiar esta tecnologia. A viabilidade desta tecnologia segundo especialistas da área poderá chegar dentro de 2 a 3 anos.

Fontes:

http://www.usp.br/portalbiossistemas/?p=4316

https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/pilha-combustivel.htm

https://www.google.com.br/amp/s/m.mundoeducacao.bol.uol.com.br/amp/quimica/pilha

https://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_de_combust%C3%ADvel#Hist%C3%B3ria

https://paginas.fe.up.pt/~ee02035/Pilhas_Combustivel.pdf